導(dǎo)讀：本文報道了一種超薄、超堅固、超柔和熱穩(wěn)定性好的薄膜，具有類似金屬的機械性能，即前所未有的拉伸強度（300.5 MPa），高楊氏模量（13.6 GPa）和出色的耐折性（> 10000次）。更重要的是，這種復(fù)合膜具有出色的電磁波屏蔽效果，可以消除> 99％的電磁波。在軍事、航空航天領(lǐng)域的電子設(shè)備中的實際應(yīng)用以及可穿戴設(shè)備應(yīng)用有很大前景。

隨著電子設(shè)備的普及和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁輻射被視為一個嚴(yán)重的問題，不僅危害設(shè)備的正常運行和使用壽命，而且對人體健康也有害。因此，電磁屏蔽材料的研究引起了廣泛的關(guān)注。金屬材料具有超高的堅固性和優(yōu)異的導(dǎo)電性，是電磁干擾（EMI）屏蔽的傳統(tǒng)選擇，而其高密度，較差的柔韌性和差的抗腐蝕性能已經(jīng)限制了其廣泛使用，尤其是在惡劣的環(huán)境中。二維（2D）過渡金屬碳化物/碳氮化物（即MXene）被認(rèn)為是有前途的EMI屏蔽替代產(chǎn)品，具有輕量級特性，高電導(dǎo)率和優(yōu)異的耐腐蝕性。然而，由于相鄰的二維（2D）MXene納米片之間較弱的平面內(nèi)范德華相互作用，其宏觀組裝結(jié)構(gòu)結(jié)合較弱，這也導(dǎo)致了薄膜的脆性，在某些極端環(huán)境下，這仍然是其潛在應(yīng)用的瓶頸。通常，用于極端條件EMI屏蔽的理想保護材料應(yīng)集成所有突出的多功能功能，包括高穩(wěn)固性、良好的柔性性、耐溫性和耐腐蝕性等，這仍然非常具有挑戰(zhàn)性。

針對上述問題，來自四川大學(xué)和南京理工大學(xué)的研究人員通過將蠕蟲狀的芳族聚酰胺納米纖維（ANF）設(shè)計成棒狀的微觀結(jié)構(gòu)，然后與Ti3C2Tx自組裝形成分層的實體結(jié)構(gòu)，報道了一種超薄、超堅固、超柔和熱穩(wěn)定性好的薄膜。棒狀A(yù)NF的剛性對稱對稱芳環(huán)完全伸直在骨架中很好地堆積成結(jié)晶形式，使桿狀A(yù)NF能夠增強網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并有效消散能量，從而產(chǎn)生類似金屬的機械性能，即前所未有的拉伸強度（300.5 MPa），高楊氏模量（13.6 GPa）和出色的耐折性（> 10000次）。更重要的是，這種MXene/ANF復(fù)合膜具有出色的EMI屏蔽效果（8814.5 dB cm2 g –1），阻燃性可在？100°C（355 MPa）至300°C（136 MPa）的溫度范圍內(nèi)執(zhí)行廣泛的操作，可以消除> 99％的電磁波；這保證了其在某些極端條件下的潛在EMI屏蔽應(yīng)用。相關(guān)工作以“Metal-Level Robust, Folding Endurance, and Highly Temperature-Stable MXene-Based Film with Engineered Aramid Nanofiber for Extreme-Condition Electromagnetic Interference Shielding Applications”為題發(fā)表在著名期刊《ACS Appl. Mater.Interfaces》上。

論文鏈接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c07387

圖1顯示了MXene/棒狀A(yù)NF復(fù)合膜的典型制備過程。首先，通過在HCl和LiF的混合溶液中從MAX粉末中選擇性刻蝕Al層，然后進行超聲處理，來合成寡層MXene納米片，TEM圖像顯示成功從MAX顆粒上剝離了橫向尺寸大但具有幾層構(gòu)象的MXene納米片。

圖1. MXene/棒狀A(yù)NF復(fù)合膜的制備過程示意圖。（a）MXene納米片的蝕刻和剝落，ANF從蠕蟲狀到剛性棒狀構(gòu)型的設(shè)計，以及真空過濾制備的MXene/ANF復(fù)合膜。（b）MAX顆粒的SEM圖像，MXene納米片的TEM圖像以及MAX和MXene納米片的XRD圖。（c）蠕蟲狀A(yù)NF和剛性棒狀A(yù)NF的SEM圖像以及純剛性棒狀A(yù)NF膜和MXene/ANF復(fù)合膜的數(shù)碼照片

圖2. MXene/ANF復(fù)合膜的力學(xué)性能測試

隨著MXene含量的增加，MXene/ANF樣品的機械性能迅速下降。尤其是對于原始的MXene膜而言，較差的機械性能太弱而無法應(yīng)用，由于相鄰的MXene納米片之間的范德華相互作用較弱，其拉伸強度僅為11.0±2.1 MPa，并且斷裂斷裂為1.1±0.2％。當(dāng)MXene含量為40 wt％時，可以實現(xiàn)MXene/ANF復(fù)合膜的最佳機械性能，包括300.5±10.1 MPa的拉伸強度，13.6±1.3 GPa的楊氏模量，3.0±0.4％的應(yīng)變斷裂，韌性為5.3±0.7 MJ m–3。

MXene納米片作為一種優(yōu)良的導(dǎo)電填料，具有良好的導(dǎo)電性，并通過在基體內(nèi)部沿基面方向形成有效的連續(xù)導(dǎo)電通路，在很大程度上提高了導(dǎo)電性。隨著MXene/ANF復(fù)合膜中MXene含量的增加，復(fù)合膜的電導(dǎo)率無疑得到了提高。隨著MXene含量的增加，更多的微波傾向于被屏蔽和吸收，并成功構(gòu)建了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在8.2至12.4 GHz（X波段）的頻率范圍內(nèi)也顯示出出色的EMI屏蔽性能（24.5 dB）和不錯的屏蔽效率（99.65％）。

圖3.（a）MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜的橫截面SEM圖像。（b）MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜的同步和（c）不同步2D相關(guān)FTIR光譜。（d）純棒狀A(yù)NF膜，原始MXene膜和MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜的XRD圖。（e）MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜的表面SEM圖像和EDS圖。（f）MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜的緩慢拉伸過程后的典型斷裂形態(tài)。（g）拉伸過程中MXene/ANF =40:60復(fù)合膜的示意圖

圖4 （a）具有不同含量的MXene納米片的復(fù)合膜的電導(dǎo)率。（b）MXene納米片含量不同的復(fù)合膜在整個X波段的EMI屏蔽性能。（c）具有不同MXene納米片含量的復(fù)合膜在12.4 GHz頻率下的SET，SEA，SER和SEA/SET值。（d）具有不同形態(tài)的一維ANF的MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜的EMI屏蔽性能。（e）在整個X波段厚度不同的MXene/ANF =40:60復(fù)合膜的EMI屏蔽性能。（f）將SSE/t值作為厚度的函數(shù)與同類材料進行比較。（g）電磁波跨MXene/ANF = 40:60復(fù)合膜傳輸?shù)氖疽鈭D

總的來說，通過ANF的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計成功地制備了超薄、超柔韌性、金屬級堅固且極其穩(wěn)定的MXene/ANF復(fù)合膜。更重要的是，納米復(fù)合膜具有廣泛的工作溫度范圍（-100至300 °C），抗張強度范圍為355至136 MPa，同時EMI屏蔽性能保持穩(wěn)定。簡而言之，這些優(yōu)異的綜合機械性能，出色的EMI屏蔽性能以及在廣泛的工作溫度范圍內(nèi)均具有出色的適應(yīng)性，證明MXene/ANF復(fù)合膜在軍事、航空航天領(lǐng)域的電子設(shè)備中的實際應(yīng)用以及可穿戴設(shè)備應(yīng)用有很大前景。